Thème 9: Division de polynômes et fractions rationnelles

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1 DIVISION DE POLYNÔMES ET FRACTIONS RATIONNELLES 15 Thème 9: Division de polynômes et fractions rationnelles 9.1 Valeur numérique d un polynôme Définition : On appelle valeur numérique d un polynôme p(x) la valeur que l on obtient en remplaçant x par un nombre dans ce polynôme. Par exemple, si p(x) = x 2, alors p(-3) = 9 Modèle 1 : Soit le polynôme p(x) = 2x 2 + 7x 5. Calculer p(1) et p(-2). valeur numérique d un polynôme: Définition : On appelle zéro d un polynôme p(x) toute valeur a pour laquelle la valeur numérique du polynôme est nulle, c est-à-dire p(a) = 0. Exercice 9.1: a) Soit le polynôme p(x) = 2x 2 + 3x 5. Calculer p(-1) et p(2). b) Soit le polynôme p(x) = 3x 3 4x 2 3x + 4. Calculer p(-1), p(1) et p(2). c) Soit le polynôme p(x) = 2x 2 3x +1. Calculer p(0), p(1/2) et p(-1/3). Exercice 9.2: a) Soit le polynôme p(x) = 2x 3 + 7x 2 7x 30. Montrer que x = 2, x = -5/2 et x = -3 sont des zéros de p(x). 9.2 Divisions de polynômes b) Soit le polynôme p(x) = 2x 3 5x 2 2x + 5. Montrer que x = 1, x = -1 et x = 5/2 sont des zéros de p(x). Démarche 1 : Pour diviser un polynôme par un monôme, on divise chacun des termes du polynôme par le monôme et on fait la somme algébrique des quotients partiels ainsi obtenus. Modèle 2 : Effectuer la division de p(x) = 4 x 4 + 9x 3 + 6x 2 par d(x) = 2x 2.

2 16 THÈME 9 Exercice 9.3: Effectuer les divisions de p(x) par d(x) dans les cas suivants : a) p(x) = 12x 4 9x x 2 d(x) = 3x 2 b) p(x) = 25x x 4 x 2 d(x) = 5x c) p(x) = 4x 5 7x 4 + x 3 2x 2 d(x) = 2x 3 Démarche 2 : Pour diviser un polynôme par un diviseur qui est également un polynôme, on les ordonne par rapport à la même lettre, on divise alors le premier terme du polynôme par le premier terme du diviseur pour obtenir le premier terme du quotient. On multiplie alors tout le diviseur par ce premier terme du quotient et on soustrait du polynôme le produit obtenu. On recommence ainsi le procédé jusqu à ce que l on ne puisse plus trouver de quotient partiel (sous la forme d un monôme). Modèle 3 : Effectuer la division de : p(x) = 3x 3 11x 2 +19x 12 par d(x) = x 3 Exercice 9.4: a) Trouver le quotient et le reste de la division des polynômes p(x) = 2x 3 + 4x 8 par s(x) = x 2 6x + 8. b) Trouver le quotient et le reste de la division des polynômes p(x) = 6x 4 + 4x 3 8x 2 + 2x 5 par d(x) = 2x 2 + 4x 3. Exercice 9.5: Déterminer le polynôme p(x) tel que le quotient de sa division par 2x soit 5x 2 3x + 1 et le reste de 1 x

3 DIVISION DE POLYNÔMES ET FRACTIONS RATIONNELLES 17 Modèle 4 : égalité fondamentale: Effectuer la division de : p(x) = 6x 4 4x x 8 par d(x) = 2x Puis en déduire l égalité fondamentale Exercice 9.6: Effectuer les divisions ci-dessous puis écrire les égalités fondamentales : a) ( 5x 4 + 2x 3 3x 2 + 4x 6) ( x 2 3x 2) b) ( 4 x 4 6x 3 + 2x 2 4x + 7) ( 2x 2 + 3x 2) c) ( 6x 5 4x 4 13x x 2 21x + 8) 2x 3 5x + 8 d) ( x x 2 12) ( x 2 3) e) ( 2x 4 + 4x 3 10x 2 16x + 8) ( 2x 4) f) ( x ) ( x + 3) ( )

4 18 THÈME Cas particulier de la division par (x a) où a est un nombre Division par (x a) Lorsque l on divise un polynôme p(x) par un polynôme de la forme d(x) = x a, l égalité fondamentale s écrit p(x) = q(x) (x a) + r(x) où r(x) est un nombre que l'on note r "Truc" du reste : Le reste de la division du polynôme p(x) par (x a) s'obtient en remplaçant x par a dans le polynôme p(x) r = p(a) Modèle 5 : Sans effectuer la division, déterminer le reste de la division de p(x) = x 3 x 2 4 par d(x) = x 2 truc du reste: Modèle 6 : Sans effectuer la division, déterminer le reste de la division de p(x) = x 3 x 3 par d(x) = x + 1 truc du reste: Exercice 9.7: Pour chacune des 2 divisions suivantes : a) p(x) = 4x 3 10x 2 +11x 5 par d(x) = x 1 b) p(x) = 9x 4 + x 3 x 2 + x + 2 par d(x) = x + 2 1) Calculer le reste de la division à l aide du truc du reste 2) Effectuer concrètement la division et comparer les restes obtenus 3) Écrire l égalité fondamentale 4) Le truc du reste est-il vraiment si mystérieux? Définition : Le polynôme p(x) est divisible par un polynôme q(x) si le reste de la division vaut zéro. Ainsi : Le polynôme p(x) est divisible par (x a) lorsque : r = p(a) = 0 Modèle 7 : Le polynôme p(x) = x 3 8 est-il divisible par d(x) = x 2? divisibilité:

5 DIVISION DE POLYNÔMES ET FRACTIONS RATIONNELLES 19 Exercice 9.8: Sans effectuer la division, examiner si p(x) est divisible par d(x): a) p(x) = 5x 4 + 6x 3 5x 2 + 4x 4 d(x) = x + 2 b) p(x) = 2x 4 5x 3 + 6x 2 7x + 4 d(x) = x 2 c) p(x) = 4x 3 x 2 2x +1 d(x) = x +1/2 d) p(x) = 2x 4 + 4x 3 10x 2 16x + 8 d(x) = x La division de polynômes pour résoudre des équations de degré > 2 Modèle 8 : Résoudre l équation 2x 4 + 2x 3 68x 2 8x = 0 sachant qu elle admet déjà les solutions x = 2 et x = 5 équations de degré > 2: Exercice 9.9: a) Résoudre l équation 2x 4 3x 3 35x 2 9x + 45 = 0 sachant qu elle admet les solutions x = 5 et x = -3 b) Résoudre l équation x 3 3x = 0 sachant qu elle admet la solution x = 1 c) Factoriser le polynôme p(x) = x 4 + x 3 7x 2 x + 6, sachant que p(1) = 0 et p(-1) = 0 d) Factoriser le polynôme p(x) = x 4 + 3x 3 3x 2 11x 6, sachant que p(2) = 0 et p(-3) = 0

6 20 THÈME 9 Modèle 9 : Résoudre l équation x 3 2x 2 13x 10 = 0 équations de degré > 2: Exercice 9.10: Résoudre les équations suivantes : a) x 3 x 2 14x + 24 = 0 b) x 3 + 3x 2 + 3x + 1 = 0 c) x 3 + 3x 2 = 4 d) x 3 x 2 = -2x Fractions rationnelles et ensemble de définition Définition : On appelle fraction rationnelle (en x) une fraction dont le dénominateur et le numérateur sont des polynômes (en x). La fraction 2x 5 4x + 2 est un exemple de fraction rationnelle en x. Si l on attribue la valeur 4 à la variable x, on obtient la valeur numérique de la fraction en x = 4 : = = 3 18 = 1 6 Modèle 10 : Calculer la valeur numérique de la fraction 3x 6 x 2 25 lorsque x prend la valeur -4. valeur numérique :

7 DIVISION DE POLYNÔMES ET FRACTIONS RATIONNELLES 21 Modèle 11 : Calculer la valeur numérique de la fraction 3x 6 x 2 25 lorsque x prend la valeur 5. valeur numérique : Dans le cas de polynômes, il est possible d attribuer à la variable n importe quelle valeur. Pour les fractions rationnelles, il n en va pas de même. On rappelle qu il n est pas possible de diviser par zéro, ce qui fait que la valeur numérique de la fraction ci-dessus ne peut pas se calculer pour les deux valeurs : x = 5 : x = 5 : 3x 6 x 2 25 = = 9 0 3x 6 x ( 5) 6 = ( 5) 2 25 = 21 0 (impossible) (impossible) Les valeurs de x pour lesquelles une fraction est impossible à calculer sont les solutions de l équation obtenue en égalant son dénominateur à zéro. Ces 2 valeurs sont appelées valeurs interdites. Dans le modèle ci-dessus, 5 et 5 sont les valeurs interdites de la fraction. Définition : L ensemble de tous les nombres pour lesquels on peut calculer la valeur numérique d une fraction rationnelle en x s appelle l ensemble de définition de la fraction. On le note E D. Pour le modèle précédent, E D = IR { 5 ; 5}. Exercice 9.11: a) Calculer la valeur numérique de la fraction 2x 5 4x + 2 lorsque x prend la valeur 3. b) Calculer la valeur numérique de la fraction x x lorsque x prend la valeur 3. c) Montrer que les nombres 3 et 4 font partie de l ensemble de x 4 définition de la fraction x 3 + 3x 2 4 x 12. d) Montrer que les nombres 1, 2 et 3 ne font pas partie de l ensemble de définition de la fraction 4x 2 + 2x +1 x 3 7x + 6.

8 22 THÈME 9 Modèle 12 : Trouver E D de la fraction 2x 2 8 x + 7 x 2 4 x + 3. ensemble de définition : Exercice 9.12: Trouver l ensemble de définition E D des fractions suivantes : a) 3x 2 x 3 d) x 2 + 4x 2 x 2 + 2x 8 x 2 2x +11 g) 3x 2 +13x 10 b) 2x + 7 x e) x 2 + 7x +10 2x +17 h) 2x 2 +13x 7 3x c) x 2 + 2x +1 f) x 2 7x Simplification de fractions Il est possible d écrire une fraction (de nombre) sous forme simplifiée en cherchant le plus grand diviseur commun au numérateur et au dénominateur, puis en divisant le numérateur et le dénominateur par ce nombre. Pour les fractions rationnelles, il en va de même. On factorise le numérateur et le dénominateur, puis on peut simplifier le(s) facteur(s) commun(s). On gardera toujours en mémoire la règle suivante : Lorsqu on simplifie une fraction rationnelle, on divise tout le numérateur et tout le dénominateur par une même expression qui a été mise en évidence à l aide d une factorisation. Modèle 13 : Préciser E D puis simplifier la fraction x 2 x 6 x 2 4 simplification :

9 DIVISION DE POLYNÔMES ET FRACTIONS RATIONNELLES 23 Modèle 14 : Préciser E D puis simplifier la fraction 3 3x x 2 1 simplification : Exercice 9.13: Préciser E D puis simplifier la fraction a) x 2 4 x + 2 b) x 2 6x + 9 x 3 c) x + 3 2x 2 + x 15 d) 2x 2 + 3x 9 x 2 + x 6 e) x 2 + 5x + 4 3x 2 +10x 8 f) 3x 2 +10x + 3 6x 2 13x 5 g) x x 2 h) x 2 + 2x 8 x 2 + 2x i) x 2 4 x 2 + 2x j) x3 + 5x 2 + 6x x 3 + 2x 2 3x k) (x + 3)(2x2 + 7x 4) (x + 4)(6x 2 + 7x 5) l) x 3 8 x 3 + 2x 2 5x Multiplication et division de fractions Pour multiplier deux fractions rationnelles, on multiplie les numérateurs entre eux et les dénominateurs entre eux. a b c d = a c b d Pour diviser une fraction rationnelle par une autre, on multiplie la première par l inverse de la deuxième. a b c d = a b d c = a d b c Ne pas oublier de simplifier au maximum l'expression finale afin d'en obtenir le code irréductible.

10 24 THÈME 9 Modèle 15 : Effectuer les 2 calculs suivants : x 5 a) x 2 4x 5 x 2 1 x 2 = b) x + 3 x 2 x 6 x +1 x 2 4 = Exercice 9.14: Calculer et donner la réponse sous la forme simplifiée: a) x + 3 x 2 + 3x + 2 x + 2 x 2 + 7x +12 c) x 2 x x 2 1 x 2 + 3x + 2 x 2 4 e) x +1 x 2 + 3x x 2 + 2x +1 x 2 + 4x + 3 b) x + 3 x 5 x 2 3x 10 x 2 + 4x + 3 d) 2x 2 7x 15 3x 2 15x x 2 2x 2 + 3x f) x + 2 2x 1 3x 2 + 4x 4 2x 2 + 5x Addition et soustraction de fractions Pour additionner ou soustraire des fractions, on doit trouver, après factorisation, le dénominateur commun. On met alors ces fractions au même dénominateur (on amplifie ces fractions), puis on additionne ou soustrait les numérateurs (et on conserve bien sûr le dénominateur commun). On s'assurera encore que la réponse est bien en code irréductible. Règle pour les fractions qui ont le même dénominateur : a d + b d = a + b d a d b d = a b d Règle pour les fractions dont les dénominateurs sont sans facteur commun : a c + b d = a d + b c c d

11 DIVISION DE POLYNÔMES ET FRACTIONS RATIONNELLES 25 Modèle 16 : Effectuer les additions suivantes : a) x +1 x x 5 x + 2 = additions : b) 2x + 6 x x + 3 x 5 = Modèle 17 : Effectuer la soustraction suivante : x 3 x + 3 x + 3 x 3 soustraction : Exercice 9.15: Calculer et donner la réponse sous la forme simplifiée: a) c) 2x x x +1 x x x x 2 e) x 1 x +1 x +1 x 1 b) d) 3 2x +1 + x x 3 3 x 2 4 2x + 5 f) 5x 3x + 2 x +1

12 26 THÈME 9 Modèle 18 : Effectuer l addition suivante : x x 2 x 6 + x +1 x 2 4 addition : Exercice 9.16: Calculer et donner la réponse sous la forme simplifiée: a) 5x +1 x (x 1) b) 5x x x 2 c) 3x x x +1 d) 3x 1 x 2 2x 8 2 x + 2 e) 5 x 2 + 2x +1 2 x 2 4x + 4 f) x x 1 x x x2 x 2 1 g) 1 x (x 1)(x 2) + 1 (x 2)(x 3) 9.9 Un petit mélange de tout!!! Exercice 9.17: Calculer et donner la réponse sous la forme simplifiée: a) 2x x x 2 + 2x + 3 x b) x + 2 2x 3 x 2 4 2x 2 3x c) 2x + 5 x 2 + 6x + 9 x x x 3 d) 2x 2 + 9x 5 3x 2 +17x +10 e) x 2 6x + 9 x 2 1 2x 2 x 3 f) x 3x x + 5

13 DIVISION DE POLYNÔMES ET FRACTIONS RATIONNELLES 27

14 28 THÈME 9